Ao menos duas centenas de cientistas oriundos de várias partes do mundo estarão na Unicamp neste mês de setembro, para discutir os avanços do Projeto Dune (Deep Underground Neutrino Experiment) – a iniciativa mais ambiciosa na história do estudo de neutrinos, que são partículas subatômicas fundamentais para compreender a origem, a composição e a evolução do universo.
Considerado um dos projetos mais complexos da física contemporânea, o Dune tem sede no Fermilab, o laboratório de física de partículas do Departamento de Energia dos Estados Unidos, e conta com a contribuição do CERN, o laboratório da Organização Europeia para a Investigação Nuclear, sediado em Genebra. No total, reúne cerca de 200 instituições de 37 países. A Unicamp é a líder do projeto na América Latina e, entre os dias 21 e 25 de setembro, sediará o Dune Collaboration Meeting, evento que ocorrerá no Brasil pela primeira vez.
Ao longo da semana, os especialistas farão reuniões simultâneas, em até sete auditórios, focadas nos diferentes consórcios técnicos do projeto. O público externo também terá acesso a atividades gratuitas de divulgação científica, como oficinas masterclass com simulação de análise de trajetórias de partículas para estudantes do ensino médio, palestras abertas e colóquios acadêmicos.
Além dos debates científicos fechados, haverá espaço para a integração de jovens pesquisadores (Young DUNE) por meio de apresentações de pôsteres. O Dune Collaboration Meeting também contará com eventos sociais e culturais, como o espetáculo autoral “Dança das Partículas” – que transforma as abstrações da física em gestos e dança –, uma coreografia indígena, shows de rock e oficinas para mostrar a mecânica da capoeira.
O projeto
Detectar neutrinos é uma tarefa difícil, pois eles interagem muito pouco com a matéria. Para contornar esse desafio, o Dune está construindo um detector de grande escala na cidade de Leads, Dakota do Sul-EUA, a 1.600 metros de profundidade. Esse detector será abastecido por um feixe de neutrinos de alta potência – o mais intenso já construído – gerado na sede do Fermilab, localizada em Chicago-EUA, a uma distância de 1.300 quilômetros. Por meio deste feixe, os pesquisadores investigarão novos fenômenos subatômicos, potencialmente capazes de ampliar o conhecimento atual sobre o papel dos neutrinos na formação do universo.
O feixe gerado em Chicago será direcionado a quatro criostatos – equipamentos de grandes dimensões e de alta precisão, situados nas cavernas na Dakota do Sul e projetados para operar em temperaturas extremamente baixas. Cada um deles terá 65,8 m de comprimento, 18,9 m de largura e 17,8 m de altura e será preenchido com 70 mil toneladas de argônio líquido.
As interações dos neutrinos serão identificadas por meio de emissões de luz e cargas elétricas. O início da coleta de dados está previsto para 2030 (com neutrinos atmosféricos) e 2031 (com o feixe gerado no acelerador). O projeto deve durar 30 anos e vai exigir investimentos de US$ 3,7 bilhões.
Eixos estratégicos
A Unicamp tem desempenhado papel de liderança em três eixos estratégicos desse projeto.
No primeiro deles, a Universidade ficou responsável pelo desenvolvimento dos sistemas ópticos para captação dos fótons (luz) gerados nas interações de neutrinos. Os professores do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp Ettore Segreto e Ana Amélia Bergamini Machado criaram um equipamento batizado de Arapuca, um sistema inovador que “prende” os fótons em uma caixa da qual não conseguem escapar. O modelo já evoluiu para o X-Arapuca, com um sistema de detecção aprimorado.
O sistema funciona assim: a luz ultravioleta (UV) emitida pelo argônio chega à superfície do dispositivo, que contém uma placa conversora. Ela absorve o UV, reemitindo-o em uma cor visível (como azul ou verde). A luz convertida passa por uma janela especial, chamada filtro dicróico, que permite a entrada de luz de determinado comprimento de onda entrar na caixa, mas impede sua saída. Daí a ideia de armadilha.
O modelo criado por Segreto e Machado acabou sendo adotado pelo Dune depois de se mostrar mais eficiente no processo de coleta de luz que os outros sistemas de detecção de fótons apresentados.
Segunda contribuição
A segunda contribuição da Unicamp para o Projeto Dune diz respeito ao Programa de Criogenia – um sistema de purificação de argônio líquido que está sendo coordenado pelo professor Pascoal Pagliuso. O objetivo é desenvolver tecnologias para garantir níveis extremos de pureza no argônio. Isso é necessário, segundo os cientistas, porque contaminações mínimas por oxigênio (0²) ou nitrogênio (N²) absorvem elétrons e luz, prejudicando a reconstituição das trajetórias e a identificação precisa das partículas.
A purificação do argônio é considerada o “coração” do Projeto Dune: sem ela, as impurezas absorvem e espalham a luz, alterando o deslocamento das cargas elétricas geradas pelas interações das partículas e inviabilizando qualquer detecção de neutrinos.
O sistema atua em quatro tanques contendo argônio líquido – composto que precisa atingir um nível de pureza inferior a 100 partes por trilhão, padrão inexistente hoje no mercado comercial. Sistemas de bombeamento farão o argônio líquido circular continuamente por uma rede de vasos, tubulações e filtros contendo materiais que farão a filtragem de compostos específicos.
A equipe de Pagliuso desenvolveu novos sistemas de filtragem para N² e O², baseados em materiais inovadores. O oxigênio, por exemplo, será retirado por materiais à base de óxido de alumínio e cobre. A Unicamp e seus parceiros, em particular a UFSCar (Universidade Federal de São Carlos) e o IQSC-USP (Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo), aprimoraram essa eficiência criando uma estrutura em camadas que combina óxido de magnésio, óxido de alumínio e cobre. Já o nitrogênio e a água serão capturados por um material químico altamente especializado, chamado zeólitas, combinado com íons de lítio. O mecanismo teve a eficiência demonstrada em experimentos realizados no criostato Iceberg Cryostat, no Fermilab.
Assimetria entre matéria e antimatéria
De acordo com Pagliuso, o problema maior não é gerar neutrinos. “A dificuldade está em produzir um feixe de neutrinos numa intensidade jamais alcançada anteriormente, num intervalo de energia que jamais existiu, e todos de um mesmo sabor”, explica. Um feixe com essas características servirá para medir com precisão a oscilação de neutrinos e a assimetria entre matéria e antimatéria.
Os neutrinos têm três sabores: neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau. Neste caso, o termo “sabor” é usado pelos físicos para classificar o tipo de identidade de uma partícula fundamental dentro da família dos léptons, e não para designar paladar. “Dizemos que o programa Criogenia é o coração do Projeto Dune. Sem argônio puro, não há luz ou carga elétrica a ser detectada, e, sem isso, não há dados a serem analisados”, argumenta Pagliuso.
Origem do Universo
Uma pergunta em particular se torna cada vez mais frequente para o professor Pagliuso: ao final do experimento Dune, o homem saberá a origem do universo?
“É difícil afirmar, mas tenho certeza de que vamos evoluir muito na compreensão de tópicos fundamentais”, diz ele. “A hierarquia de massa entre os neutrinos – qual é mais leve, qual é mais pesado – ajuda a entender melhor os modelos da formação do universo. Por que o universo é feito de matéria e não de antimatéria? E ajuda a entender, também, se vai existir ou não o decaimento do próton, que é previsto teoricamente, mas nunca ninguém observou”, continua.
“Se isso for observado, também nos ajudará a entender melhor como o universo funciona. Conseguiremos avançar no entendimento de como se formam as estrelas ou como se forma o buraco negro. Portanto, somando tudo isso junto, eu acho que podemos avançar bastante no entendimento como que o universo funciona e como ele surgiu”, conclui.
Nova Física
Segundo o professor Ettore Segreto, os estudos sobre neutrinos podem abrir novas perspectivas para a física. Na verdade, diz ele, é possível que surja uma “nova física”.
De acordo com Segreto, embora a teoria do modelo padrão das partículas explique muita coisa, ainda há pontos cegos. “A física que conhecemos é incompleta”, afirma. “E uma das frentes onde ainda há muito o que estudar é o comportamento dos neutrinos.”
O professor explica que o modelo padrão previa que o neutrino não tinha massa. Contudo, experimentos anteriores ao Dune já provaram que os neutrinos mudam de tipo enquanto viajam (num fenômeno chamado de oscilação), o que só é fisicamente possível se eles possuírem massa. A teoria atual, no entanto, não consegue explicar de onde vem essa massa e a descoberta prova que o nosso conhecimento da física é incompleto.
Tanto Segreto como Machado apostam que o estudo do neutrino pode se tornar a ponte para uma “nova física” capaz de esclarecer grandes mistérios do universo, como a matéria escura e a energia escura. Isso porque, ao comparar o comportamento de neutrinos e antineutrinos, os cientistas buscam compreender por que, após o Big Bang, a matéria prevaleceu.
Os docentes explicam que o Big Bang deveria ter criado quantidades exatamente iguais de matéria e antimatéria, que teriam se aniquilado mutuamente no início dos tempos, transformando o cosmos em apenas luz. Como nosso universo é feito de matéria, porém, pressupõe-se que exista uma diferença fundamental no comportamento da matéria e da antimatéria.
Como o Projeto Dune tem 30 anos de duração, o enigma da origem provavelmente estará desvendado ao final desse período. Mas há muitos indicativos de que os cientistas não vão precisar de tanto tempo. Para Segreto, os avanços da Inteligência Artificial – que traz novas técnicas de análise de dados e aceleração na interpretação de interações subatômicas – poderão reduzir esse tempo pela metade.
HUB latino-americano
O Projeto Dune conta com uma terceira contribuição da Unicamp: a Universidade será sede de um centro de análise de dados. Trata-se do Unicamp Dune Physics Center (UDPC), o novo centro internacional criado por meio de uma parceria entre o Fermilab e a Fapesp (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo).
O espaço abrigará uma sala de controle (Control Room), auditórios e áreas de treinamento para softwares de análise, funcionando como um hub latino-americano para assegurar a autonomia científica na interpretação dos dados. A contrapartida da Unicamp será a infraestrutura. O prédio em que o centro será instalado já foi definido, estando localizado na rua Daniel Hogan, no campus de Campinas. “Assim que tivermos o detector funcionando, começaremos a análise dos dados”, resume a professora Ana Amélia Machado, que será a responsável pelo UDPC.
O Centro capacitará pesquisadores para processar e analisar os dados gerados pelos detectores do Dune nos EUA, garantindo que o Brasil e a América Latina tenham soberania e protagonismo na publicação das descobertas de física. Também promoverá cursos e capacitações no uso dos programas e algoritmos avançados (incluindo técnicas de inteligência artificial) necessários para reconstruir e interpretar as trajetórias das partículas subatômicas.
A sala de controle vai monitorar em tempo real o funcionamento do experimento (o estado do argônio líquido e o correto funcionamento dos detectores), permitindo que pesquisadores locais cumpram seus turnos de operação sem precisarem se deslocar aos EUA ou à Europa.
O UDPC também funcionará como um centro de convergência para cientistas, pós-doutorandos e estudantes de diversos países latino-americanos, facilitando reuniões regionais, formação de rede de talentos e cooperação científica internacional.
Por fim, deverá atuar na difusão da ciência, promovendo palestras públicas, oficinas (masterclasses) com escolas de ensino médio, exibições interativas e eventos focados no incentivo aos jovens cientistas.
“Para isso tudo, há uma quantidade enorme de diferentes perfis de profissionais que precisam trabalhar juntos”, considera Machado.
Para Machado e Segreto, devido a essas contribuições, a Unicamp passa a ser um polo de inovação em engenharia criogênica, tecnologia óptica e processamento de dados. Com isso, retém talentos e consolida a autonomia científica da região. Além disso, avaliam eles, o Dune é um projeto capaz de impulsionar a indústria nacional de alta tecnologia e formar gerações de físicos e engenheiros no Brasil.
Futuro
Para o futuro do experimento, a equipe brasileira já propõe inovações, como o sistema Power, voltado a capturar sinais de menor energia e neutrinos solares, estando previsto para o terceiro módulo do detector. Há, ainda, a proposição da tecnologia Híbrida, a ser usada no quarto módulo, associando cintiladores líquidos para estudar a possibilidade de o neutrino ser sua própria antipartícula.
Matéria: Tote Nunes | Fotos: Antoninho Perri | Jornal da Unicamp.
